Un orologio che sopravvive alla morte termica dell’Universo
Immaginiamo un orologio capace di scandire il tempo “per sempre”. Cosa vuol dire “per sempre”? Poniamo che un orologio possa sopravvivere alla morte termica dell’Universo, a quel Big Crunch che ne segnerà la fine. Da tempo questa specie di orologio è oggetto di ricerche soprattutto tra i fisici teorici. Un cristallo quadrimensionale in grado di misurare per sempre il tempo e di fornire importanti informazioni sul comportamento delle particelle nei sistemi complessi, dal problema a molti corpi per la teoria dei campi, all’entanglement (o non-separabilità) per la fisica quantistica.
Immaginiamo un orologio capace di scandire il tempo “per sempre”. Cosa vuol dire “per sempre”? Poniamo che un orologio possa sopravvivere alla morte termica dell’Universo, a quel Big Crunch che ne segnerà la fine. Da tempo questa specie di orologio è oggetto di ricerche soprattutto tra i fisici teorici. L’idea di base è abbastanza semplice, per quanto possa sembrare fumosa: si tratterebbe di costruire un dispositivo che possa teoricamente funzionare come un computer e che abbia un comportamento “periodico” nel tempo, in modo analogo a un pendolo. Qui la questione è molto più sottile e controversa. È legata alla possibilità che, in determinate condizioni, esistano sistemi che possano perdere la simmetria temporale continua ed esibire una simmetria periodica. Un team internazionale di scienziati, guidati dai ricercatori del U.S. Department of Energy (Lawrence Berkeley National Laboratory), ha proposto un disegno sperimentale del cristallo spazio-temporale sul modello di un campo elettrico a repulsione ionica. “Il campo elettrico della trappola ionica trattiene le particelle cariche e l’effetto di repulsione coulombiana li induce a formare, nello spazio, un anello di cristallo”, spiega Xiang Zhang, uno degli studiosi del Berkeley Lab Materials Sciences Division che ha condotto questa ricerca. Grazie all’applicazione di un debole campo magnetico statico questo anello di cristallo inizierà a ruotare incessantemente. Ed è proprio questa incessante rotazione di ioni a “produrre” un ordine o direzione temporale, cui segue la formazione di un campo di spazio-tempo a bassa energia quantistica.
Un “cristallo spazio-temporale” è allora un dispositivo in cui gli atomi di cristallo, aventi uno stato energetico molto basso, ruoterebbero costantemente anche dopo l’implosione dell’Universo. La rotazione continua, in grado di mantenere bassa e costante l’energia, è pensata come uno schema ripetitivo a carattere periodico.
I risultati della ricerca sulla creazione di un cristallo discreto nello spazio-tempo sono disponibili on line al seguente indirizzo: arxiv.org. Tongcang Li, collaboratore di Xiang Zhang, spiega che “l’idea di creare un cristallo di dimensioni superiore a quella dei tradizionali cristalli 3D è un importante passo avanti concettuale in fisica ed è molto eccitante per noi essere i primi a trovare un modo per realizzare un cristallo spazio-temporale”. In pratica, un anello spaziale di ioni intrappolati in una incessante rotazione dovrebbe configurarsi come “l’analogo temporale” di un cristallo ordinario. Gli esempi più comuni di cristalli ordinari sono il ghiaccio, il sale e i fiocchi di neve. “La sfida principale sarà quella di raffreddare un anello di ioni al suo stato fondamentale”, precisa Xiang Zhang. “Si può sperare accada in un prossimo futuro, con lo sviluppo delle tecnologie a ‘trappola ionica’”.
Fonte/Leggi tutto → gaianews.it
Theoretical Physics made a huge leap from concept to reality yesterday thanks to collaboration between an international team of scientists and researchers with the U.S. Department of Energy’s (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
The team has proposed the experimental design of a space-time crystal that is based on an electric-field ion trap and the Coulomb repulsion of particles that carry the same electrical charge. “The electric field of the ion trap holds charged particles in place and Coulomb repulsion causes them to spontaneously form a spatial ring crystal,” says Xiang Zhang, a faculty scientist with Berkeley Lab’s Materials Sciences Division who led this research. “Under the application of a weak static magnetic field, this ring-shaped ion crystal will begin a rotation that will never stop.
The persistent rotation of trapped ions produces temporal order, leading to the formation of a space-time crystal at the lowest quantum energy state.” Professor Zhang, the Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor of Mechanical Engineering at the University of California, Berkeley (UC), is also the director of Harvard’s Nanoscale Science and Engineering Center. He authored the paper describing this work in the Physical Review Letters. The paper, entitled “Space-time crystals of trapped ions” was also co-authored by Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang and Luming Duan.
To understand Zhang’s contribution, it is important to review what was known about crystals in the physical world up until yesterday. Traditional crystals are solid, three-dimensional structures made up of atoms or molecules that bond together in an orderly and repeating pattern. A few common examples of crystals include ice, salt and snowflakes. Crystallization only takes place when heat is removed from a molecular system and it is allowed to reach a lower energy state. At a certain point, continuous spatial symmetry breaks down the crystal and assumes what is known as “discrete symmetry”, which means that instead of the structure being the same in all directions, it is the same in only a few directions.
As mind-boggling as the concept may be for most of us, these researchers were able to harness the properties of crystal formation to devise a clock that operates in 4 dimensions, needs no power source and will keep time even after the universe as we know it comes to an end.“While a space-time crystal looks like a perpetual motion machine and may seem implausible at first glance, keep in mind that a superconductor or even a normal metal ring can support persistent electron currents in its quantum ground state under the right conditions,” explained Tongcang Li, lead author of the study and a post-doc in Zhang’s research group.
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